Micro LED顯示原理及其測試方法

作者 : 黃光華、郭俊儀，美商泰瑞達台灣分公司

本文著重於簡介什麼是Micro LED及其顯示的原理與測試方法。

什麼是Micro LED？

Micro LED，顧名思義是將LED的結構微型化，移除LED的封裝及基板，使得LED元件的尺寸能從1mm縮小到50μm以下。Micro LED的一大特點，就是移除了LED基板，只留下磊晶薄膜，這提供了Micro LED晶片輕薄短小，可以採用「巨量轉移」 (Mass Transfer) 生產，也能符合各種顯示器的畫素尺寸。

巨量轉移技術是一個關鍵技術，目前市場多用機械式取放(Pick&Place)概念的壓印(Stamp)技術。所謂的取放式壓印技術，簡單來說就是藉助於靜電、凡得瓦力、磁力等方式抓取巨量的Micro LED晶片後轉移至目標背板，目前市場上有幾家廠商採用此技術。機械式取放的壓印製程已經成熟到可以運用在量產。

與此同時，業界也從未停止過對其他巨量轉移技術的研發，以達到更快、更有效率、更有彈性的轉移。雷射轉移技術就是其中一種。顧名思義，雷射轉移是使用雷射束將Micro LED從原始基板快速且大規模轉移到目標基板，其通常步驟由石英、藍寶石等透明基材透過某種中間材料承載元件，再透過雷射照射透明基材作用在中間材料上發生反應，並可採用光學遮罩的方式以實現元件的選擇性轉移Micro LED 顯示器，則是結合了LED微型化與陣列化的技術，將Micro LED晶片以巨量轉移的方式，直接鍵合到含電路結構設計的驅動背板上。一般的LED因為尺寸較大，只能提供大型電視牆使用，而微米級的Micro LED晶片，可適用於手錶、手機、車用、電腦螢幕、電視、AR/VR等各種尺寸與領域的應用。

Micro LED Display的顯示原理

Micro LED Display的顯示原理，係將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級左右；後將Micro LED批量式轉移至電路基板上(含下電極與電晶體)，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沈積製程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成一結構簡單的Micro LED Display。

Micro LED典型結構是一PN接面二極體，由直接能隙半導體材料構成。當上下電極施加一順向偏壓於Micro LED，致使電流通過時，電子、電洞對於主動區(Active region)複合，而發射出單一色光。Micro LED發光頻譜其主波長的半高全寬FWHM僅約20nm，可提供極高的色飽和度，通常可大於120%NTSC。

自2008年後LED光電轉換效率大幅提高，100lm/W以上的LED已成量產之標準。而在Micro LED Display的應用上，為自發光的顯示特性，輔以幾乎無光耗元件的簡易結構，故可輕易達到低能耗(10%~20% TFT-LCD能耗) 或高亮度(1000nits以上) 的顯示器設計。即可解決目前顯示器應用的兩大問題，一是穿戴式裝置、手機、平板等設備，有8成以上的能耗在於顯示器上，低能耗的顯示器技術可提供更長的電池續航力；一是環境光較強(例如戶外、半戶外)致使顯示器上的影像泛白、辨識度變差的問題，高亮度的顯示技術可使其應用的範疇更加寬廣。

圖1：TFT/OLED/Micro LED顯示原理。

如何進行Micro LED IC測試？

由泰瑞達(Teradyne)專為Micro LED顯示測試所研發的Micro LED測試硬體系統，主要由三個主要部分組成：一是6軸機械手臂；其次是微距相機；三為光譜儀(spectrometer)。

圖2：Micro LED測試系統圖。

測試軟體系統包括：

1. 6軸機械手臂控制系統：控制6軸機械手臂的位移(如圖3)；
2. 光學軟體：包含所有關於相機的光學測試項(如圖4)；
3. 光譜儀量測：光譜儀量測與光譜的顯示(如圖5)；
4. 測試整合軟體IG-XL：將所有的測試項整合一個完整程式並可以加以除錯(如圖6和圖7)。

圖3：6軸機械手臂控制系統。	圖4：相機軟體的光學測試項。
圖5：光譜儀量測出光線的頻譜  。	圖6：測試軟體整合程式與除錯。環境IG-XL。

  圖7：測試軟體整合程式與除錯的環境IG-XL。

Micro LED顯示的測試項包含：

1. 波長測試：由圖5光譜儀量測出待測物所散射出光線之峰值功率波長及線寬(峰值一半功率的頻譜寬度FWHM)；
2. ANSI亮度測試：取9個測試光點來量測光點的亮度及均勻度，讀出的灰階值除以時間而得到亮度多少尼特(nits)；
3. 儲存影像；
4. 對焦測試；
5. 光點缺點測試：以2×2的光點驗證每個光點如圖8亮點順序：上左、上右、下左、下右，最後將這四張圖拼接起來以判斷光點是否有缺陷。

圖8：2×2的光點驗證。

Micro LED全面普及關鍵及未來應用

相較於LCD/OLED技術，Micro LED技術在高亮度、高解析度、低功耗、設計靈活性等性能上的優勢明顯，使其廣受AR/VR設備領域的青睞。不過，LCD/OLED技術已經實現大規模量產，而Micro LED目前還面臨不少阻礙量產的難題，如Micro LED的效率會隨著晶片尺寸微縮而衰減。

Micro LED要全面普及，仍有巨量轉移、檢測維修及降低成本三大關鍵需要突破。檢測技術也相當重要，如何在上千萬個Micro LED中，找到故障的Micro LED並維修成為困難之處，透過Micro LED測試系統能夠快速地找到缺陷的光點所在，並快速導入量產。

本文作者：

黃光華，美商泰瑞達台灣分公司副理
郭俊儀，美商泰瑞達台灣分公司經理

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